YCbCr视频压缩学习专题(1)- YCbCr入门知识简介

好吧,技术版比较冷清,admin与大家一起学习点关于数字图像处理的知识吧~
本专题将主要研究YCbCr,常用视频色彩编码方案,有别于RGB及CMYK,但是又有一些联系,下面百度了一下YCbCr的百科,跟大家一起学学入门的概念吧。主贴会在在专题(2)出来之前不断的更新学习感想,与大家一起讨论和学习。
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YCbCr的基本概念
YCbCr是DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中,常用的色彩编码方案。YCbCr 有时会称为 YCC.。Y’CbCr 在模拟分量视频(analog component video)中也常被称为 YPbPr。YCbCr不是一种绝对色彩空间,是YUV压缩和偏移的版本。

YCbCr与YUV的区别  正如几何上用坐标空间来描述坐标集合, 色彩空间用数学方式来描述颜色集合。常见的3 个基本色彩模型是RGB , CMYKYUV
  YCbCr 则是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU – R BT1601 建议的一部分, 其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV 中的Y含义一致, Cb , Cr 同样都指色彩, 只是在表示方法上不同而已。在YUV 家族中, YCbCr 是在计算机系统中应用最多的成员, 其应用领域很广泛,JPEGMPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr 有许多取样格式, 如4∶4∶4 , 4∶2∶2 , 4∶1∶1 和4∶2∶0。YUV  视频编解码器功能
  视频编码器要求YUV4:2:0格式的视频输入,因此可能根据应用需要进行视频输入的预处理,即对YUV4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换,仅抽取但不过滤UV分。对视频解码器而言,还需要进行后处理,以将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示,包括:YUV 4:2:0到RGB转换;16位或12位RGB显示格式;0到90度旋转,实现横向或纵向显示。此外,视频编解码器通常还要求具有以下功能和特性:
  支持MPEG-4简单类 0、1 与 2 级;
  兼容H.263与 MPEG-4 编解码标准;
  MPEG-4视频解码器支持的可选项有:AC/DC预测、可逆可变长度编码(RVLC)、再同步标志(RM)、数据分割(DP)、错误隐藏专利技术、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、自由运动补偿、解码VOS层;
  MPEG-4视频编码器选项有:RVLC、RM、DP、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、报头扩展码、支持编码期间码率改变、支持编码期间编码帧率改变、插入或不插入可视对象序列起始码;
  支持编码期间序列中插入I帧;
  支持编码器自适应帧内刷新(AIR);
  支持多编解码器,可用相同代码运行多个编解码器实例。YCbCr  YCbCr其中Y是指亮度分量,Cb指蓝色色度分量,而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感,因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后,肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。
  4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量,2个色度分量 (YYYYCbCr),仅采样奇数扫描线,是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式;4:2:2表示每4个像素有4个亮度分量,4个色度分量(YYYYCbCrCbCr),是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式;4:4:4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr),用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。
编辑本段YUV主要的采样格式  主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比较常用,其含义为:每个点保存一个 8bit 的亮度值(也就是Y值), 每 2×2 个点保存一个 Cr 和Cb 值, 图像在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以, 原来用 RGB(R,G,B 都是 8bit unsigned) 模型, 每个点需要 8×3=24 bits(如下图第一个图). 而现在仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bites, 平均每个点占12bites(如下图第二个图)。这样就把图像的数据压缩了一半。
  上边仅给出了理论上的示例,在实际数据存储中是有可能是不同的,下面给出几种具体的存储形式:(1) YUV 4:4:4  YUV三个信道的抽样率相同,因此在生成的图像里,每个象素的三个分量信息完整(每个分量通常8比特),经过8比特量化之后,未经压缩的每个像素占用3个字节。
  下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
  存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3(2) YUV 4:2:2  每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半,所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说,每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。
  下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
  存放的码流为: Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
  映射出像素点为:[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3](3) YUV 4:1:1  4:1:1的色度抽样,是在水平方向上对色度进行4:1抽样。对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存
  下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
  存放的码流为: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3
  映射出像素点为:[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2](4)YUV4:2:0  4:2:0并不意味着只有Y,Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说,只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量,也就是说,如果一行是4:2:0的话,下一行就是4:0:2,再下一行是4:2:0…以此类推。对每个色度分量来说,水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1,所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由2×2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。
  下面八个像素为:[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
  [Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]
  存放的码流为:Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3
  Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
  映射出的像素点为:[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]
  [Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]
  YCbCr与RGB的相互转换
  Y=0.299R+0.587G+0.114B
  Cb=0.564(B-Y)
  Cr=0.713(R-Y)
  R=Y+1.402Cr
  G=Y-0.344Cb-0.714Cr
  B=Y+1.772CbYCbCr的模拟分量部分YPbPr  YCbCr 有时会称为YCC. Y’CbCr 在模拟分量视频(analog component video)中也常被称为YPbPr。
  Y’CbCr讯号(prior to scaling and offsets to place the signals into digital form)被称为YPbPr ,而且产生时必须合乎gamma-adjusted RGB source有二个不同的常数Kb和Kr如下: YPbPr (analog version of Y’CbCr) from R’G’B’ YPbPr (analog version of Y’CbCr) from R’G’B’ ====================================================
  Y’ = Kr * R’ + (1 – Kr – Kb) * G’ + Kb * B’
  Pb = 0.5 * (B’ – Y’) / (1 – Kb) Pb = 0.5 * (B’ – Y’) / (1 – Kb)
  Pr = 0.5 * (R’ – Y’) / (1 – Kr) Pr = 0.5 * (R’ – Y’) / (1 – Kr)
  ……………………………………………. ………………………………………….. ..
  R’, G’, B’ in [0; 1] R’, G’, B’ in [0; 1]
  Y’ in [0; 1] Y’ in [0; 1]
  Pb in [-0.5; 0.5] Pb in [-0.5; 0.5]
  Pr in [-0.5; 0.5] Pr in [-0.5; 0.5]
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20120718补充学习笔记:
关于YCbCr的sub-sampling的详细图解见谷歌的一个电子书
http://books.google.com.hk/books?id=BtCOgrpzbz4C&pg=PA22&lpg=PA22&dq=ycbcr+Interpolation&source=bl&ots=W8MRoMbMQA&sig=E8Y9I7qI76bFMDK_nzBrrrl4A4Y&hl=ja&sa=X&ei=VwoFUL7UL8XXrQfDlMDEBg&ved=0CEcQ6AEwAQ#v=onepage&q=ycbcr%20Interpolation&f=false
以及美国德克萨斯州大学ARLINGTON分校的一个实验文档:
http://www-ee.uta.edu/dip/courses/ee5356/project3A_new.pdf

以上二个文档,对于420,422,444等形式的采样有详细的说明,另外关于频域方面的特性,继续学习中。
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20120724追加补充参考资料

讲述Color Space及YCbCr采样的非常详细的文档
http://compression.ru/download/articles/color_space/ch03.pdf  

这不是百度百科吗= =

hslx111 发表于 2012-7-18 07:12
这不是百度百科吗= =

是百度百科,感觉这个条目整理的还是不错的。不过其中的几个概念得分析,跟大家一起学习一下。

顶版主,生命在于学习~
图像啊
问一下,数字图像处理对颜色要求高吗?比如说我色弱

Aries 发表于 2012-7-19 15:52
问一下,数字图像处理对颜色要求高吗?比如说我色弱


建议不要从事数字图像处理,视频,3D设计,动画,游戏等颜色密切相关的领域

admin 发表于 2012-7-19 16:34

建议不要从事数字图像处理,视频,3D设计,动画,游戏等颜色密切相关的领域

那嵌入式方向上可以走的方向是什么?

Aries 发表于 2012-7-19 16:36
那嵌入式方向上可以走的方向是什么?

嵌入式方向随便走
数字图像处理非嵌入式的分支

admin 发表于 2012-7-19 16:37
嵌入式方向随便走
数字图像处理非嵌入式的分支

哦,那不错啊,谢谢学长!

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